【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32-S3 软件SPI总线_esp32s3 micropython spi

MicroPython是为了在嵌入式系统中运行Python 3编程语言而设计的轻量级版本解释器。与常规Python相比，MicroPython解释器体积小(仅100KB左右)，通过编译成二进制Executable文件运行，执行效率较高。它使用了轻量级的垃圾回收机制并移除了大部分Python标准库，以适应资源限制的微控制器。

MicroPython主要特点包括:
1、语法和功能与标准Python兼容,易学易用。支持Python大多数核心语法。
2、对硬件直接访问和控制,像Arduino一样控制GPIO、I2C、SPI等。
3、强大的模块系统,提供文件系统、网络、图形界面等功能。
4、支持交叉编译生成高效的原生代码,速度比解释器快10-100倍。
5、代码量少,内存占用小,适合运行在MCU和内存小的开发板上。
6、开源许可,免费使用。Shell交互环境为开发测试提供便利。
7、内置I/O驱动支持大量微控制器平台，如ESP8266、ESP32、STM32、micro:bit、掌控板和PyBoard等。有活跃的社区。

MicroPython的应用场景包括:
1、为嵌入式产品快速构建原型和用户交互。
2、制作一些小型的可 programmable 硬件项目。
3、作为教育工具,帮助初学者学习Python和物联网编程。
4、构建智能设备固件,实现高级控制和云连接。
5、各种微控制器应用如物联网、嵌入式智能、机器人等。

使用MicroPython需要注意:
1、内存和Flash空间有限。
2、解释执行效率不如C语言。
3、部分库函数与标准版有差异。
4、针对平台优化语法,订正与标准Python的差异。
5、合理使用内存资源,避免频繁分配大内存块。
6、利用原生代码提升速度关键部位的性能。
7、适当使用抽象来封装底层硬件操作。

总体来说,ESP32-S3在功耗、硬件资源和功能支持方面进行了优化，非常适合作为低功耗物联网设备的处理平台。相比ESP32，ESP32-S3在无线、安全性和稳定性等方面有所提升。

1、搭载 Xtensa® 32 位 LX7 双核处理器，主频 240 MHz，内置 512 KB SRAM (TCM)，具有 45 个可编程 GPIO 管脚和丰富的通信接口。
2、支持更大容量的高速 Octal SPI flash 和片外 RAM，支持用户配置数据缓存与指令缓存。
3、加入了用于加速神经网络计算和信号处理等工作的向量指令 (vector instructions)，性能对比 ESP32 有可观的提升。
4、集成 2.4 GHz Wi-Fi (802.11 b/g/n)，支持 40 MHz 带宽；其低功耗蓝牙子系统支持 Bluetooth 5 (LE) 和 Bluetooth Mesh，可通过 Coded PHY 与广播扩展实现远距离通信。它还支持 2 Mbps PHY，用于提高传输速度和数据吞吐量。
5、外设新增 LCD 接口、USB、SD/MMC 主机控制器和 TWAI TM 控制器等常用外设接口。
6、拥有完善的安全机制和保护措施，支持基于 AES-XTS 算法的 flash 加密、基于 RSA 算法的安全启动、数字签名和 HMAC。还新增了一个“世界控制器 (World Controller)”模块，提供了两个互不干扰的执行环境，实现可信执行环境或权限分离机制。

MicroPython的ESP32-S3芯片支持软件SPI总线，以下是关于其主要特点、应用场景和需要注意的事项的详细解释：

主要特点：

灵活性：ESP32-S3的软件SPI总线具有较高的灵活性。它可以通过软件配置来模拟SPI通信协议，包括设置时钟频率、数据位顺序、数据传输模式等。这使得它适用于不同设备和外围芯片的通信需求。

多通道支持：ESP32-S3的软件SPI总线支持多个SPI通道。每个通道都有独立的配置寄存器和引脚，可以同时连接和控制多个SPI设备。

低成本：相比硬件SPI，软件SPI总线不需要专门的硬件支持，只需使用GPIO引脚进行模拟。这降低了系统成本，特别是在资源有限或仅需要较低速度的场景下。

应用场景：

外围设备控制：软件SPI总线适用于与各种外围设备进行通信。例如，与传感器、存储器、显示屏等设备进行数据交互。通过软件SPI总线，可以读取传感器数据、存储数据或控制显示屏的刷新。

扩展模块连接：软件SPI总线可以用于连接各种扩展模块，例如无线通信模块（如WiFi或蓝牙模块）、扩展存储器（如SD卡）等。它提供了与这些模块进行数据交换的通信接口。

LED控制：软件SPI总线可以用于控制LED灯带或矩阵。通过适当的协议和数据传输，可以实现灯光效果的控制和编程。

需要注意的事项：

速度限制：软件SPI总线的速度相对较低，通常无法达到硬件SPI的高速传输。因此，在选择软件SPI总线时，需要根据具体应用的需求来平衡通信速度和资源消耗。

GPIO分配：使用软件SPI总线时，需要合理分配GPIO引脚。确保所选的GPIO引脚与软件SPI总线的通信需求相匹配，并避免与其他外设冲突。

软件实现复杂性：相对于硬件SPI，软件SPI总线的实现可能更加复杂。需要编写适当的软件代码来模拟SPI通信协议，处理时序和数据传输，确保通信的正确性和可靠性。

性能考虑：软件SPI总线的性能取决于处理器的处理能力和系统负载。在使用软件SPI总线时，需要评估系统的性能需求，以确保能够满足实时性和响应性的要求。

综上所述，MicroPython的ESP32-S3的软件SPI总线具有灵活性、多通道支持和低成本等特点。它适用于外围设备控制、扩展模块连接和LED控制等应用场景。在使用软件SPI总线时，需要注意速度限制、GPIO分配、软件实现复杂性和性能考虑等事项，以确保通信的可靠性和性能满足应用需求。

案例一：使用MicroPython的ESP32-S3软件SPI总线读取传感器数据

from machine import Pin, SPI
import time

# 定义SPI引脚
sck = Pin(18, Pin.OUT)
mosi = Pin(23, Pin.OUT)
miso = Pin(19, Pin.IN)
cs = Pin(5, Pin.OUT)

# 创建SPI对象
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=sck, mosi=mosi, miso=miso)

# 读取传感器数据
def read_sensor_data():
    cs.value(1)  # 片选信号置低，开始通信
    data = spi.read(4)  # 读取4个字节的数据
    cs.value(0)  # 片选信号置高，结束通信
    return data

while True:
    sensor_data = read_sensor_data()
    print("Sensor data:", sensor_data)
    time.sleep(1)
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要点解读：在这个程序中，我们首先导入了machine模块中的Pin和SPI类，以及time模块。然后，我们定义了SPI总线的四个引脚：sck（时钟）、mosi（主数据线）、miso（从数据线）和cs（片选）。接下来，我们创建了一个SPI对象，并设置了相应的参数。在read_sensor_data函数中，我们通过将片选信号置低来开始通信，然后读取4个字节的数据，最后将片选信号置高以结束通信。在主循环中，我们不断地读取传感器数据并打印出来。

案例二：使用MicroPython的ESP32-S3软件SPI总线发送数据到另一个设备

from machine import Pin, SPI
import time

# 定义SPI引脚
sck = Pin(18, Pin.OUT)
mosi = Pin(23, Pin.OUT)
miso = Pin(19, Pin.IN)
cs = Pin(5, Pin.OUT)

# 创建SPI对象
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=sck, mosi=mosi, miso=miso)

# 发送数据到另一个设备
def send_data_to_device(data):
    cs.value(1)  # 片选信号置低，开始通信
    spi.write(data)  # 写入数据
    cs.value(0)  # 片选信号置高，结束通信

while True:
    data_to_send = bytearray([0x01, 0x02, 0x03, 0x04])  # 要发送的数据
    send_data_to_device(data_to_send)
    print("Data sent:", data_to_send)
    time.sleep(1)
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要点解读：在这个程序中，我们与案例一类似地定义了SPI总线的引脚，并创建了一个SPI对象。在send_data_to_device函数中，我们同样通过将片选信号置低来开始通信，然后写入数据，最后将片选信号置高以结束通信。在主循环中，我们不断地发送数据并打印出来。

案例三：使用MicroPython的ESP32-S3软件SPI总线进行通信协议解析

from machine import Pin, SPI
import time

# 定义SPI引脚
sck = Pin(18, Pin.OUT)
mosi = Pin(23, Pin.OUT)
miso = Pin(19, Pin.IN)
cs = Pin(5, Pin.OUT)

# 创建SPI对象
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=sck, mosi=mosi, miso=miso)

# 解析通信协议数据
def parse_protocol_data(data):
    # 在这里添加解析通信协议数据的代码
    pass

while True:
    received_data = bytearray()
    while len(received_data) < 4:  # 假设接收到的数据长度为4字节
        received_data += spi.read(1)  # 读取一个字节的数据
    parsed_data = parse_protocol_data(received_data)
    print("Parsed data:", parsed_data)
    time.sleep(1)
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要点解读：在这个程序中，我们与案例一类似地定义了SPI总线的引脚，并创建了一个SPI对象。在主循环中，我们不断地读取数据，直到接收到足够的数据长度。然后，我们调用parse_protocol_data函数来解析通信协议数据，并将解析后的数据打印出来。请注意，你需要根据具体的通信协议来实现parse_protocol_data函数。

案例四：配置SPI总线并发送数据
在这个程序中，我们将使用ESP32-S3的SPI总线模块与外部设备进行通信。具体来说，我们将使用spi.init()函数初始化SPI总线，并设置通信参数。然后，我们将使用spi.write()函数向外部设备发送数据。需要注意的是，在发送数据之前，我们需要先使用spi.slave_select()函数将SPI总线从主模式切换到从模式。

import machine  
import time  
  
# 初始化SPI总线  
spi = machine.SPI(1) # 使用SPI1总线  
spi.init() # 初始化SPI总线  
  
# 设置通信参数  
spi.configure(baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, bits=8, firstbit=MSB)  
  
# 发送数据  
data = [0x01, 0x02, 0x03, 0x04] # 要发送的数据  
spi.write(data) # 向外部设备发送数据
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在这个程序中，我们首先导入了machine模块和time模块。然后，我们使用machine.SPI()函数创建了一个SPI对象，并指定使用SPI1总线。接下来，我们使用spi.init()函数初始化SPI总线，并使用spi.configure()函数设置通信参数，包括波特率、极性、相位、数据位数和起始位等。然后，我们定义了一个列表data，包含了要发送给外部设备的四个字节的数据。最后，我们使用spi.write()函数向外部设备发送数据。需要注意的是，在发送数据之前，我们需要先使用spi.slave_select()函数将SPI总线从主模式切换到从模式。在实际应用中，我们需要根据具体的外部设备和通信协议来调整通信参数和数据格式，以确保通信的正确性。

案例五：读取SPI总线的接收数据
在这个程序中，我们将使用ESP32-S3的SPI总线模块从外部设备读取数据。具体来说，我们将使用spi.write_read()函数向外部设备发送数据并读取返回的数据。需要注意的是，在读取数据之前，我们需要先使用spi.slave_select()函数将SPI总线从主模式切换到从模式。

import machine  
import time  
  
# 初始化SPI总线  
spi = machine.SPI(1) # 使用SPI1总线  
spi.init() # 初始化SPI总线  
  
# 设置通信参数  
spi.configure(baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, bits=8, firstbit=MSB)  
  
# 向外部设备发送数据并读取返回数据  
data = [0x01, 0x02, 0x03, 0x04] # 要发送的数据  
response = spi.write_read(data) # 向外部设备发送数据并读取返回数据  
print(response) # 将返回数据打印到串口
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在这个程序中，我们首先导入了machine模块和time模块。然后，我们使用machine.SPI()函数创建了一个SPI对象，并指定使用SPI1总线。接下来，我们使用spi.init()函数初始化SPI总线，并使用spi.configure()函数设置通信参数，包括波特率、极性、相位、数据位数和起始位等。然后，我们定义了一个列表data，包含了要发送给外部设备的四个字节的数据。最后，我们使用spi.write_read()函数向外部设备发送数据并读取返回的数据。然后我们将返回的数据打印到串口以进行调试和验证。需要注意的是，在读取数据之前，我们需要先使用spi.slave_select()函数将SPI总线从主模式切换到从模式。在实际应用中，我们需要根据具体的外部设备和通信协议来调整通信参数和数据格式，以确保通信的正确性。同时我们还需要注意处理异常情况和错误检测等以保证程序的健壮性。

案例六：使用SPI总线实现多个设备之间的通信
在这个程序中，我们将使用ESP32-S3的SPI总线模块实现多个设备之间的通信。具体来说，我们将使用spi.init()函数初始化SPI总线，并设置通信参数。然后，我们将使用spi.write()函数向第一个设备发送数据，并使用spi.read()函数从第二个设备读取数据。需要注意的是，在通信之前，我们需要先使用spi.slave_select()函数将SPI总线从主模式切换到从模式。

import machine  
import time  
  
# 初始化SPI总线  
spi = machine.SPI(1) # 使用SPI1总线  
spi.init() # 初始化SPI总线  
  
# 设置通信参数  
spi.configure(baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, bits=8, firstbit=MSB)  
  
# 向第一个设备发送数据，并从第二个设备读取数据  
data = [0x01, 0x02, 0x03, 0x04] # 要发送的数据  
spi.write(data) # 向第一个设备发送数据  
response = spi.read(len(data)) # 从第二个设备读取数据  
print(response) # 将返回数据打印到串口
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在这个程序中，我们首先导入了machine模块和time模块。然后，我们使用machine.SPI()函数创建了一个SPI对象，并指定使用SPI1总线。接下来，我们使用spi.init()函数初始化SPI总线，并使用spi.configure()函数设置通信参数，包括波特率、极性、相位、数据位数和起始位等。然后，我们定义了一个列表data，包含了要发送给第一个设备的四个字节的数据。最后，我们使用spi.write()函数向第一个设备发送数据，并使用spi.read()函数从第二个设备读取同样长度的数据。然后我们将返回的数据打印到串口以进行调试和验证。需要注意的是，在通信之前，我们需要先使用spi.slave_select()函数将SPI总线从主模式切换到从模式。在实际应用中，我们需要根据具体的设备和通信协议来调整通信参数和数据格式，以确保通信的正确性。同时我们还需要注意处理异常情况和错误检测等以保证程序的健壮性。

案例七：与SPI设备通信：

import machine
import utime

spi = machine.SPI(1, sck=machine.Pin(18), mosi=machine.Pin(19), miso=machine.Pin(20))
spi.init()

def read_spi_data():
    spi.cs = machine.Pin(21, machine.Pin.OUT)
    spi.cs.value(0)
    spi.write(b"\x01\x02\x03")
    data = spi.read(3)
    spi.cs.value(1)
    return data

while True:
    data = read_spi_data()
    print("SPI Data:", data)
    utime.sleep(1)
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要点解读：
该代码片段演示了如何使用MicroPython在ESP32-S3上通过软件SPI总线与SPI设备进行通信。
使用machine.SPI()函数创建一个SPI对象，并指定SCK、MOSI和MISO引脚。
在这个示例中，SPI总线编号为1，SCK引脚为18，MOSI引脚为19，MISO引脚为20。
使用spi.init()方法初始化SPI总线。
read_spi_data()函数用于与SPI设备进行通信。
在一个无限循环中，通过调用read_spi_data()函数来读取SPI设备发送的数据。

案例八：与SD卡交互：

import machine
import uos

spi = machine.SPI(1, sck=machine.Pin(18), mosi=machine.Pin(19), miso=machine.Pin(20))
spi.init()

sd_cs = machine.Pin(21, machine.Pin.OUT)
sd_cs.value(1)

def mount_sdcard():
    sd = machine.SDCard(spi, sd_cs)
    uos.mount(sd, "/sd")

mount_sdcard()
uos.chdir("/sd")

while True:
    file_list = uos.listdir()
    print("Files in SD Card:", file_list)
    uos.rename("file.txt", "newfile.txt")
    uos.remove("oldfile.txt")
    uos.mkdir("new_directory")
    uos.chdir("/sd/new_directory")
    utime.sleep(1)
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要点解读：
该代码片段演示了如何使用MicroPython在ESP32-S3上通过软件SPI总线与SD卡进行交互。
使用machine.SPI()函数创建一个SPI对象，并指定SCK、MOSI和MISO引脚。
在这个示例中，SPI总线编号为1，SCK引脚为18，MOSI引脚为19，MISO引脚为20。
使用spi.init()方法初始化SPI总线。
使用machine.Pin()函数创建一个引脚对象，指定SD卡的片选引脚。
mount_sdcard()函数用于挂载SD卡并设置当前工作目录。
在一个无限循环中，通过调用MicroPython的uos模块来进行SD卡的文件操作，如列出文件、重命名、删除文件、创建目录等。

案例九：与NRF24L01无线模块通信：

import machine
import utime
import urandom
from micropython_nrf24 import NRF24

spi = machine.SPI(1, sck=machine.Pin(18), mosi=machine.Pin(19), miso=machine.Pin(20))
nrf = NRF24(spi, ce=machine.Pin(21), payload_size=8, channel=0x70)
nrf.open_tx_pipe(b"\xE8\xE8\xE8\xE8\xE8")
nrf.open_rx_pipe(1, b"\xC2\xC2\xC2\xC2\xC2")
nrf.start()

def send_data():
    data = bytes([urandom.randint(0, 255) for _ in range(8)])
    nrf.send(data)
    while not nrf.is_ack_payload_sent():
        utime.sleep_ms(1)

while True:
    send_data()
    utime.sleep(1)
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要点解读：
该代码片段演示了如何使用MicroPython在ESP32-S3上通过软件SPI总线与NRF24L01无线模块进行通信。
使用machine.SPI()函数创建一个SPI对象，并指定SCK、MOSI和MISO引脚。
在这个示例中，SPI总线编号为1，SCK引脚为18，MOSI引脚为19，MISO引脚为20。
使用machine.Pin()函数创建引脚对象，用于控制NRF24L01模块的CE引脚。
使用micropython_nrf24库创建一个NRF24对象，并指定SPI对象、CE引脚、数据包大小和通道号。
使用nrf.open_tx_pipe()和nrf.open_rx_pipe()方法打开发送和接收管道，并指定相应的地址。
使用nrf.start()方法启动NRF24模块。
send_data()函数用于发送随机生成的8字节数据。
在一个无限循环中，通过调用send_data()函数来周期性地发送数据。

请注意，以上案例只是为了拓展思路，可能存在错误或不适用的情况。不同的硬件平台、使用场景和MicroPython版本可能会导致不同的使用方法。在实际编程中，您需要根据您的硬件配置和具体需求进行调整，并进行多次实际测试。需要正确连接硬件并了解所使用的传感器和设备的规范和特性非常重要。对于涉及到硬件操作的代码，请确保在使用之前充分了解和确认所使用的引脚和电平等参数的正确性和安全性。